CN112422010B - 长线电缆永磁同步电机变频控制方法及用于其的降压电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及永磁同步电机控制技术领域，具体涉及一种长线电缆永磁同步电机变频控制方法及用于其的降压电路。该方法包括：计算电缆电阻Rw、长线电缆D轴电感分量Lwd和长线电缆Q轴电感分量Lwq；获取长线电缆和电机共同的综合电阻R、长线电缆和电机共同的D轴电感分量Ld、长线电缆和电机共同的Q轴电感分量Lq、长线电缆和电机共同的磁通ψ；基于R和Rw计算电机电阻；基于Ld和Lwd计算电机在长线电缆的D轴电感分量；基于Lq和Lwq计算电机在长线电缆的Q轴电感分量；S34、基于ψ获得电机的磁通。本发明实施例的有益效果为：高精度控制，电机不会因参数的不准确导致性能不稳定，使用寿命长。
Description
技术领域
本发明实施例涉及长线电缆永磁同步电机控制技术领域，具体涉及一种长线电缆永磁同步电机变频控制方法及用于其的降压电路。
背景技术
目前，由井下电机直接驱动螺杆泵或抽油泵的采油模式因其高效、节能、环保等诸多优势逐渐替代抽油机，成为新的发展方向，而永磁同步电机以其优越的转矩及调速性能替代了使用异步电机驱动，与地面驱动采油设备相比大大降低了传动机械损耗。但这种方式也面临了一个难题，就是其控制系统只能放在地面，通过长线电缆将驱动电源送到井下电机上，随着电缆根据井深不断加长电缆损耗就越大，最重要的是随着长线信号的衰减，而长线部分电阻及电感对电机控制模型的影响也越来越大，永磁同步电机的驱动对电机参数依赖性较强，常规的做法是将电缆和电机参数作为一个整体考虑，很难做到高精度控制，电机容易因参数的不准确导致性能不稳定，使用寿命低。
因此，需要一种长线电缆永磁同步电机变频控制方法及用于其的降压电路，以克服上述问题的发生。
发明内容
为了解决上述问题，本发明实施例第一方面提供了一种长线电缆永磁同步电机变频控制方法，包括步骤：
S1、计算当前井下温度条件下的电缆电阻Rw、长线电缆D轴电感分量Lwd和长线电缆Q轴电感分量Lwq；
S2、通过控制器参数识别的方式获取长线电缆和电机共同的综合电阻R、长线电缆和电机共同的D轴电感分量Ld、长线电缆和电机共同的Q轴电感分量Lq、长线电缆和电机共同的磁通ψ；
S31、基于所述R和所述Rw计算电机电阻；
S32、基于所述Ld和所述Lwd计算电机在长线电缆的D轴电感分量；
S33、基于所述Lq和所述Lwq计算电机在长线电缆的Q轴电感分量；
S34、基于所述ψ获得电机的磁通；
S4、依次执行步骤S2、S31、S32、S33和S34至少三次，并且将获取的所有的所述电机电阻、所述电机在长线电缆的D轴电感分量、所述电机在长线电缆的Q轴电感分量和所述电机的磁通求平均值获取准确的电机电阻、准确的电机电感和准确的电机磁通；
S5、对步骤S4中的所述准确的电机的电阻、所述准确的电机电感、所述准确的电机磁通及反馈的电流矢量分解，获得电机D轴和Q轴电压和电流；
S6、分别对D轴和Q轴电流PID调节得出下一周期电缆和电机的驱动电压Vsd和Vsq。
进一步的，步骤S1中，基于长线电缆的长度和线径计算当前井下温度条件下准确的电缆电阻Rw及电感Lwd、Lwq参数，其中：
式(1)中，ρ为长线电缆的电阻率，l为长线电缆长度，S为长线电缆的截面积；
式(2)中，μ0＝4π10-7[H/m]为真空磁导率，L为长线电缆的长度，r为长线电缆的半径。
进一步的，步骤S2中的所述获取长线电缆和电机共同的综合电阻R为：
采用静态直流电流和电压注入的方式，注入电流为电机额定电流的一半，通过注入的电压除以电流即可计算出准确综合电阻R。
进一步的，所述永磁同步电机为表贴式永磁同步电机，
式(3)中，Ud为直轴电压分量，Id为直轴电流分量，为两者相位差，ωm注入的磁场角频率；直轴电压和电流可以通过对注入的三相电压和三相电流进行CLARKE变换和PARK变换得到。
进一步的，
式(4)中，Ek为反电动势的峰值，N为电机的极对数，f为电机额定频率。
进一步的，步骤S5中，对电机反馈的三相电压和三相电流采用CLARKE变换和PARK变换进行矢量分解，获得电机D轴和Q轴电压和电流；
其中：Rs：定子电阻；Rw：长线电缆电阻；Lsd：电机D轴定子电感；Lsq：电机Q轴定子电感；Lwd：长线电缆D轴电感分量；Lwq：长线电缆Q轴电感分量；ψ：转子磁通；vsd：D轴电压分量；vsq：Q轴电压分量；isq：D轴电流分量；isq：Q轴电流分量；ωm：磁场角频率。
本发明实施例第二方面提供了一种用于任一上述的长线电缆永磁同步电机变频控制方法的降压电路，该降压电路包括依次连接的降压组件、防击穿组件、低通滤波组件和线性光耦合组件，其中：
所述降压组件用于降压；
所述防击穿组件防止高压击穿电子器件；
基于运算放大器的低通滤波组件用于滤波；
线性光耦合组件，用于将电压信号隔离输出后再经过运算放大器放大输出。
进一步的，所述降压组件包括多个串联的电阻。
本发明的有益效果：高精度控制，电机不会因参数的不准确导致性能不稳定，使用寿命长。
附图说明
图1为长线电缆永磁同步电机变频控制方法一实施例的流程图；
图2为用于长线电缆永磁同步电机变频控制方法的降压电路一实施例的电路图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同，本说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本发明，本说明书所使用的术语如“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合；此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
因此需要对长线控制模型进行准确分解才能达到高精度控制的要求，才能发挥出长线状态下永磁同步电机的性能，延长使用寿命。
参见图1，本发明实施例第一方面提供了一种长线电缆永磁同步电机变频控制方法，包括步骤：
S1、先根据实际选取的长线电缆(如各种铜线、铝线或铜铝合金线)的长度、线径计算当前井下温度条件下的电缆电阻Rw、长线电缆D轴电感分量Lwd和长线电缆Q轴电感分量Lwq；
S2、通过控制器参数识别的方式获取长线电缆和电机共同的综合电阻R、长线电缆和电机共同的D轴电感分量Ld、长线电缆和电机共同的Q轴电感分量Lq、长线电缆和电机共同的磁通ψ；
S31、基于所述R和所述Rw计算电机电阻；
S32、基于所述Ld和所述Lwd计算电机在长线电缆的D轴电感分量；
S33、基于所述Lq和所述Lwq计算电机在长线电缆的Q轴电感分量；
S34、基于所述ψ获得电机的磁通；
S4、为去除在长线状态下井温、压力等外在因素引起的参数识别过程中误差，依次执行步骤S2、S31、S32、S33和S34至少三次，并且将获取的所有的所述电机电阻、所述电机在长线电缆的D轴电感分量、所述电机在长线电缆的Q轴电感分量和所述电机的磁通求平均值获取准确的电机电阻、准确的电机电感和准确的电机磁通；
S5、对步骤S4中的所述准确的电机的电阻、所述准确的电机电感、所述准确的电机磁通及反馈的电流矢量分解，获得电机D轴和Q轴电压和电流；
S6、分别对D轴和Q轴电流PID调节得出下一周期电缆和电机的驱动电压Vsd和Vsq。
进一步的，步骤S1中，基于长线电缆的长度和线径计算当前井下温度条件下准确的电缆电阻Rw及电感Lwd、Lwq参数，其中：
式(1)中，ρ为长线电缆的电阻率，l为长线电缆长度，S为长线电缆的截面积；
式(2)中，μ0＝4π10-7[H/m]为真空磁导率，L为长线电缆的长度，r为长线电缆的半径。
进一步的，步骤S2中的所述获取长线电缆和电机共同的综合电阻R为：
采用静态直流电流和电压注入的方式，注入电流为电机额定电流的一半，通过注入的电压除以电流即可计算出准确综合电阻R。
进一步的，所述永磁同步电机为表贴式永磁同步电机，
式(3)中，Ud为直轴电压分量，Id为直轴电流分量，为两者相位差，ωm注入的磁场角频率；直轴电压和电流可以通过对注入的三相电压和三相电流进行CLARKE变换和PARK变换得到。
进一步的，式(4)中，Ek为反电动势的峰值，N为电机的极对数，f为电机额定频率。Ψ为长线电缆下的电机磁通。长线状态下电机反电动势实际值可以在电机上以VF模式施加电压,使电机以最小电流空载运行至额定转速下测量输出电压得到，此时的电压为电机和电缆的综合值，需要减去电缆损耗，电缆损耗电压通过输出电流Is与电缆电阻Rw相乘得到。
第三步，减去电缆部分电阻及电感数值，获取电机电阻、电感、磁通参数；
准确的电机电阻值Rs＝R-Rw，直轴电感Lsd＝Ld-Lwd，交轴电感Lsq＝Lq-Lwq。
进一步的，步骤S5中，对电机反馈的三相电压和三相电流采用CLARKE变换和PARK变换进行矢量分解，获得电机D轴和Q轴电压和电流；
其中：Rs：定子电阻；Rw：长线电缆电阻；Lsd：电机D轴定子电感；Lsq：电机Q轴定子电感；Lwd：长线电缆D轴电感分量；Lwq：长线电缆Q轴电感分量；ψ：转子磁通；vsd：D轴电压分量；vsq：Q轴电压分量；isq：D轴电流分量；isq：Q轴电流分量；ωm：磁场角频率。
本发明实施例第二方面提供了一种用于任一上述的长线电缆永磁同步电机变频控制方法的降压电路，参见图2，该降压电路包括依次连接的降压组件、防击穿组件、低通滤波组件和线性光耦合组件，其中：
所述降压组件用于降压，所述降压组件包括图2的电路图中所示的R3～R7、R13～17、R23～27；
所述防击穿组件包括图2的电路图中所示的D1,D2二极管钳位防止高压击穿电子器件；
基于运算放大器的低通滤波组件包括图2的电路图中所示的R10、C5,R20、C10，R30、C15用于对三相电压低通滤波；
线性光耦合组件包括图2的电路图中所示的线性光耦OP1、OP2、OP3和运算放大器U1B、U2B、U3B用于将三相电压信号隔离输出后再经过运算放大器放大输出。
具体实施方式是对本发明的进一步说明而非限制，对本领域普通技术人员来说在不脱离本发明实质内容的情况下对结构做进一步变换，而所有这些变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (2)
1.一种长线电缆永磁同步电机变频控制方法，其特征在于，包括步骤：
S1：计算当前井下温度条件下的电缆电阻Rw、长线电缆D轴电感分量Lwd和长线电缆Q轴电感分量Lwq；
S2：通过控制器参数识别的方式获取长线电缆和电机共同的综合电阻R、长线电缆和电机共同的D轴电感分量Ld、长线电缆和电机共同的Q轴电感分量Lq、长线电缆和电机共同的磁通ψ；
S31、基于所述R和所述Rw计算电机电阻；
S32、基于所述Ld和所述Lwd计算电机在长线电缆的D轴电感分量；
S33、基于所述Lq和所述Lwq计算电机在长线电缆的Q轴电感分量；
S34、基于所述ψ获得电机的磁通；
S4：依次执行步骤S2、S31、S32、S33和S34至少三次，并且将获取的所有的所述电机电阻、所述电机在长线电缆的D轴电感分量、所述电机在长线电缆的Q轴电感分量和所述电机的磁通求平均值获取准确的电机电阻、准确的电机电感和准确的电机磁通；
S5、对步骤S4中的所述准确的电机电阻、所述准确的电机电感、所述准确的电机磁通及反馈的电流矢量分解，获得电机D轴和Q轴电压和电流；
S6、分别对D轴和Q轴电流PID调节得出下一周期电缆和电机的驱动电压Vsd和Vsq；
步骤S1中，基于长线电缆的长度和线径计算当前井下温度条件下准确的电缆电阻Rw及电感Lwd、Lwq参数，其中：
式(1)中，ρ为长线电缆的电阻率，l为长线电缆长度，S为长线电缆的截面积；
式(2)中，μ0＝4π10-7[H/m]为真空磁导率，I为长线电缆的长度，r为长线电缆的半径；
步骤S2中的所述获取长线电缆和电机共同的综合电阻R为：采用静态直流电流和电压注入的方式，注入电流为电机额定电流的一半，通过注入的电压除以电流即可计算出准确综合电阻R；
所述永磁同步电机为表贴式永磁同步电机，
式(3)中，Ud为直轴电压分量，Id为直轴电流分量，sinφd为直轴电压分量和直轴电流分量的相位差，ωm为注入的磁场角频率；直轴电压和电流可以通过对注入的三相电压和三相电流进行CLARKE变换和PARK变换得到；
式(4)中，Ek为反电动势的峰值，N为电机的极对数，f为电机额定频率，Is为输出电流。
2.根据权利要求1所述的长线电缆永磁同步电机变频控制方法，其特征在于，步骤S5中，对电机反馈的三相电压和三相电流采用CLARKE变换和PARK变换进行矢量分解，获得电机D轴和Q轴电压和电流；
其中：Rs：定子电阻；Rw：长线电缆电阻；Lsd：电机D轴定子电感；Lsq：电机Q轴定子电感；Lwd：长线电缆D轴电感分量；Lwq：长线电缆Q轴电感分量；ψ：转子磁通；vsd：D轴电压分量；vsq：Q轴电压分量；isd：D轴电流分量；isq：Q轴电流分量；ωm：磁场角频率。
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